Применение процессов инфильтрации и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения керметов. Обзор

Керметы – это керамико-металлические композиционные материалы (композиты) с относительно большим содержанием керамических фаз – от 15 до 85 об.%. Если в XX веке керметы рассматривались в основном как композиты из высокотемпературных карбидных, оксидных, нитридных, боридных и силицидных керамических фаз с металлическими фазами группы железа, то в XXI веке представление о них значительно расширилось за счет появления композитов из керамических и металлических фаз с меньшими температурами плавления, в том числе сульфидов и МАХ-фаз, а также легких и легкоплавких металлов (Al, Mg, Cu, Ag, Pb, Sn). В связи с этим керметы стали рассматриваться не только как инструментальные, жаропрочные и износостойкие тяжелые конструкционные материалы, но и как легкие прочные конструкционные материалы для производства транспортных средств и функциональные материалы различного назначения. Однако достаточно часто керметам присущи такие недостатки, как склонность к хрупкому разрушению, сложность достижения однородности и воспроизводимости структуры, а также обнаружения дефектов, а кроме того, высокая стоимость производства таких материалов. Это обуславливает необходимость их дальнейшего развития, проведения исследований по совершенствованию состава, структуры и свойств керметов, поиску новых областей применения, разработке новых методов получения и снижению стоимости их производства. Обсуждены различные способы получения керметов: твердофазные, жидкофазные, газофазные и in situ методы. Более подробно рассмотрены технологии инфильтрации расплавами металлов, влияние смачивания, условия реализации самопроизвольной инфильтрации. Также подробно описаны результаты применения метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), в том числе предложенного авторами настоящего обзора нового метода получения керметов на основе использования процесса СВС пористого керамического каркаса с последующей самопроизвольной инфильтрацией расплавом металла.

1. Керметы. Пер. с англ. Под ред. Дж.Р. Тинклпо, У.В. Крэндалла. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1962.

2. Кислый П.С., Боднарук Н.И., Боровикова М.С., Заверуха О.В., Колина Г.К., Крыль Н.А., Кузенкова М.А., Кушталова И.П., Приходько Л.И., Сторож Б.Д. Керметы. Киев: Наук. думка, 1985.

3. Cermet Market: Global Industry Analysis 2012—2016 and Opportunity Assessment. 2017—2027. URL: https:// www.futuremarketinsights.com/reports/cermet-market (accessed: 15.11.2020).

4. Dasgupta S., Das A. Cermets. 2013. DOI: 10.13140/RG.2.1.1851.0480. URL: https://www.researchgate.net/publication/298313590_Cermets (accessed: 09.08.2021).

5. Mari D. Cermets and hardmetals. In: Encyclopedia of materials: Science and technology. 2-nd ed. Elsevier, 2001. P. 1118—1122. DOI: 10.1016/B0-08-043152-6/00209-6.

6. Mari D. Cermets and hardmetals. In: Reference module in materials science and materials engineering. Elsevier Reference Collection, 2016. DOI: 10.1016/B978-0-12-803581-8.02365-1.

7. Plucknett K. Cermets and hardmetals. Metals. 2018. Vol. 8. No. 11. Art. 963. DOI: 10.3390/met8110963.

8. Панов В.С., Коняшин И.Ю., Левашов Е.А., Зайцев А.А. Твердые сплавы: Учебник. М.: МИСиС, 2019.

9. Кипарисов С.С., Левинский Ю.В., Петров А.П. Карбид титана: Получение, свойства, применение. М.: Металлургия, 1987.

10. Климов Д.А., Мыктыбеков Б., Низовцев В.Е, Ухов П.А. Перспективы применения наноструктурных композиционных материалов на основе карбидов и оксидов тугоплавких металлов для авиакосмических объектов. Труды МАИ (Эл. журн.). 2011. No. 46. URL: http://trudymai.ru/upload/iblock/520/perspektivyprimeneniya-nanostrukturnykh-kompozitsionnykhmaterialov-na-osnove-karbidov-i-oksidov-tugoplavkikhmetallov - dlya - aviakosmicheskikh - obektov.pdf?lang=ru&issue=46 (accessed: 19.11.2020).

11. Панов В.С., Чувилин А.М., Фальковский В.А. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них: Уч. пос. для вузов. М.: МИСиС, 2004.

12. Meschter P.J., Schwartz D.S. Silicide-matrix materials for high-temperature application. JOM. 1989. Vol. 42. No. 11. P. 52—55. DOI: 10.1007/bf03220384.

13. Nabavi A., Capozzi A., Goroshin S., Frost D.L., Barthelat F. A novel method for net-shape manufacturing of chromium—chromium sulfide cermets. J. Mater. Sci. 2014. Vol. 49. No. 23. P. 8095—8106. DOI: 10.1007/s10853-014-8517-4.

14. Nabavi A., Goroshin S., Frost D.L., Barthelat F. Mechanical properties of chromium—chromium sulfide cermets fabricated by self-propagating high-temperature synthesis. J. Mater. Sci. 2015. Vol. 50. No. 9. P. 3434—3446. DOI: 10.1007/s10853-015-8902-7.

15. Hammann T., Johnson R., Riyad M.F., Gupta S. Effect of Ti3SiC2 particulates on the mechanical and tribological behavior of Sn matrix composites. In: Advanced processing and manufacturing technologies for nanostructured and multifunctional materials II. 2016. P. 65—74. DOI: 10.1002/9781119211662.ch8.

16. Amini Sh., Strock C.W., Li W. Chemistry based methods of manufacture for MAXMET composite powders: Pat. No. 2020/0003125 A1 (US). 2020.

17. Barsoum M.W. MAX phases: Properties of machinable ternary carbides and nitrides. Weinheim: Wiley-VCH, 2013.

18. MAX phases: Microstructure, properties, and applications (Ed. by I.-M. (J.) Low, Ya. Zhou). New York: Nova, 2012.

19. Hanaor D.A.H., Hu L., Kan W.H., Proust G., Foley M., Karaman, Radovic M. Compressive performance and crack propagation in Al alloy/Ti2AlC composites. Mater. Sci. Eng. A. 2016. No. 672. P. 247—256. DOI: 10.1016/j.msea.2016.06.073.

20. Dmitruk A., Naplocha K., Zak A., Strojny-Nedza A., Dieringa H., Kainer K.-U. Development of pore-free Ti—Si—C MAX/Al—Si MMC composite materials manufactured by squeeze casting infiltration. J. Mater. Eng. Perform. 2019. Vol 28. No. 10. P. 6248—6257. DOI: 10.1007/s11665-019-04390-8.

21. Ngai T. L., Zheng W., Li Yu. Effect of sintering temperature on the preparation of Cu—Ti3SiC2 metal matrix composite. Progr. Natur. Sci.: Mater. Int. 2013. Vol. 23. Iss. 1. P. 70—76. DOI: 10.1016/j.pnsc.2013.01.011.

22. Dang W., Ren S., Zhou J., Yu Y., Li Z., Wang L. Influence of Cu on the mechanical and tribological properties of Ti3SiC2. Ceram. Int. 2016. Vol. 42. Iss. 8. P. 9972—9980. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.03.099.

23. Оглезнева C.А., Каченюк М.Н., Оглезнев Н.Д. Исследование формирования структуры и свойств материалов в системе «медь—карбосилицид титана». Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2016. No. 4. С. 60—67. DOI: 10.17073/1997-308X-2016-4-60-67.

24. Zhang R., Feng K., Meng J., Su B., Ren Sh., Hai W. Synthesis and characterization of spark plasma sintered Ti3SiC2/Pb composites. Ceram. Int. 2015. Vol. 41. Iss. 9. Pt. A. P. 10380—10386. DOI: 10.1016/j.ceramint. 2015.05.013.

25. Zhang R., Feng K., Meng J., Liu F., Ren S., Hai W., Zhang A. Tribological behavior of Ti3SiC2 and Ti3SiC2/Pb composites sliding against Ni-based alloys at elevated temperatures. Ceram. Int. 2016. Vol. 42. Iss. 6. P. 7107—7117. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.01.099.

26. Anazi F.A., Ghosh S., Dunnigan R., Gupta S. Synthesis and tribological behavior of novel Ag- and Bi-based composites reinforced with Ti3SiC2. Wear. Vol. 376—377. Pt. B. 2017. P. 1074—1083. DOI: 10.1016/j.wear.2017.01.107.

27. Yang K., Ma H., Zhao W., Li Xi., Liu H. Investigation of the preparation and tribological behavior of a frictional interface covered with sinusoidal microchannels containing SnAgCu and Ti3SiC2. Tribol. Int. 2020. Vol. 150. Art. 106368. DOI: 10.1016/j.triboint.2020.106368.

28. Материаловедение: Уч. для вузов. Под ред. Б.Н. Арзамасова. 8-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.

29. Композиционные материалы: Справочник. Под ред. Д.М. Карпиноса. Киев: Наук. думка, 1985.

30. Тучинский Л.И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки. М.: Металлургия, 1986.

31. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы: Строение, получение, применение. Новосибирск: НГТУ, 2002.

32. Kainer K.U. Metal matrix composites. Custom-made materials for automotive and aerospace engineering. Weinheim: WILEY-VCH, 2006.

33. Binner J., Chang H., Higginson R. Processing of ceramic-metal interpenetrating composites. J. Eur. Ceram. Soc. 2009. Vol. 29. P. 837—842. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2008.07.034.

34. Campbell F.C. Structural composite materials. Ohio: ASM International, 2010.

35. Cuevas A.C., Becerril E.B., Martinez M.S., Ruiz J.L. Metal matrix composites: wetting and infiltration. Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2018. DOI:10.1007/978-3-319-91854-9.

36. Zheng Y., Wang S., You M., Tan H., Xiong W. Fabrication of nanocomposite Ti(C,N)-based cermet by spark plasma sintering. Mater. Chem. Phys. 2005. Vol. 92. No. 1. P. 64—70. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2004.12.031.

37. Zhang H., Yan D., Tang S. Preparation and properties of ultra-fine TiCN matrix cermets by vacuum microwave sintering. Rare Metals. 2010. Vol. 29. No. 5. P. 528—532. DOI: 10.1007/s12598-010-0162-8.

38. Kumar R., Chaubey A.K., Maity T., Prashanth K.G. Mechanical and tribological properties of Al2O3—TiC composite fabricated by spark plasma sintering process with metallic (Ni, Nb) binders. Metals. 2018. Vol. 8. No. 1. P. 50. DOI: 10.3390/met8010050.

39. Suryanarayana C., Al-Aqeeli N. Mechanically alloyed nanocomposites. Progr. Mater. Sci. 2013. Vol. 58. P. 383—502. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2012.10.001.

40. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. М.: Машиностроение-1, 2007.

41. Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: МИСиС, 2011.

42. Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. Int. Mater. Rev. 2016. DOI:10.1080/09506608.2016.1243291.

43. Muscat D., Drew Robin A.L. Modeling the infiltration kinetics of molten aluminium into porous titanium carbide. Metal. Mater. Trans. A. 1994. Vol. 25A. P. 2357—2361.

44. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М.: Наука, 1985.

45. Рязанов С.А. Способ изготовления лигатур на основе алюминия: Пат. No. 2190682 (РФ). 2002.

46. Cong X.-S., Shen P., Wang Y., Jiang Q. Wetting of polycrystalline SiC by molten Al and Al—Si alloys. Appl. Surf. Sci. 2014. Vol. 317. P. 140—146. DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.08.055.

47. Waheed M.S., Salih A.I. Wettability of Al2O3 by aluminum and Al—Mg alloys. Eng. Tech. J. 2010. Vol. 28. No. 9. P. 1771—1777.

48. Киффер Р., Шварцкопф П. Твердые сплавы. Пер. с нем. М.: Металлургиздат, 1957.

49. Adebisi A.A. Metal matrix composite brake rotor: historical development and product life cycle analysis. Int. J. Autom. Mech. Eng. 2011. Vol. 4. Р. 471—480. DOI: 10.15282/ijame.4.2011.8.0038.

50. Ajay Kumar P., Rohatgi P., Weiss D. 50 Years of foundry-produced metal matrix composites and future opportunities. Int. J. Metalcast. 2020. Vol. 14. P. 291—317. DOI: 10.1007/s40962-019-00375-4.

51. An Q., X. Cong X., Shen P., Jiang Q. Roles of alloying elements in wetting of SiC by Al. J. Alloys Compd. 2019. Vol. 784. P. 1212—1220. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.01.138.

52. Saravan R.A., Molina J.M., Narciso J., Garcia-Cordovilla C., Louis E. Effects of nitrogen on the surface tension of pure aluminum at high temperatures. Scripta Mater. 2001. Vol. 44. P. 965—970.

53. Sepulveda P., Binner J.G.P. Processing of cellular ceramics by foaming and in situ polymerization of organic monomers. J. Eur. Ceram. Soc. 1999. Vol. 19. P. 2059—2066. DOI: 10.1016/S0955-2219(99)00024-2.

54. Mao X. Processing of ceramic foams. In: Recent advances in porous ceramics (Ed. by Uday M. Basheer Al-Naib). 2018. IntechOpen. P. 31—47. DOI: 10.5772/intechopen. 71006.

55. Михеев Р.С., Чернышова Т.А. Дискретно армированные композиционные материалы системы Al—TiC (обзор). Загот. пр-ва в машиностроении. 2008. No. 11. С. 44—53.

56. Contreras A., Bedolla E., Perez R. Interfacial phenomena in wettability of TiC by Al—Mg alloys. Acta Mater. 2004. Vol. 52. P. 985—994. DOI: 10.1016/j.actamat.2003.10.034.

57. Contreras A. Wetting of TiC by Al—Cu alloys and interfacial characterization. J. Colloid Interface Sci. 2007. Vol. 311. P. 159—170. DOI: 10/1016/j.jcis.2007.02/041.

58. Leon C.A., Lopez V.H., Bedolla E., Drew R.A.L. Wettability of TiC by commercial aluminum alloys. J. Mater. Sci. 2002. Vol. 37. P. 3509—3514.

59. Contreras A., Albiter A., Bedolla E., Perez R. Processing and characterization of Al—Cu and Al—Mg base composites reinforced with TiC. Adv. Eng. Mater. 2004. Vol. 6. No. 9. P. 767—775. DOI: 10.1002/ADEM.200400102.

60. Xiaomeng F., Yin X., Wang L., Greil P., Travitzky N. Synthesis of Ti3SiC2-based materials by reactive melt infiltration. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2014. Vol. 45. P. 1—7. DOI: 10.1016/J.IJRMHM.2014.02.006.

61. Bo-Lin H., Yue-Feng Zh. Microstructure and properties of TiC/Ni3Al composites prepared by pressureless melt infiltration with porous TiC/Ni3Al preforms. Mater. Manuf. Process. 2011. Vol. 26. P. 586—591. DOI:10.1080/10426910903229339.

62. Dey A., Pandey K.M. Magnesium metal matrix composites: A review. Rev Adv. Mater. Sci. 2015. Vol. 42. P. 58—67.

63. Amini S., Ni C., Barsoum M.W. Processing, microstructural characterization and mechanical properties of a Ti2AlC/nanocrystalline Mg-matrix composite. Comp. Sci. Tech. 2009. Vol. 69. Iss. 3-4. P. 414—420. DOI: 10.1016/j.compscitech.2008.11.007.

64. Amini S., Barsoum M.W. On the effect of texture on the mechanical and damping properties of nanocrystalline Mg-matrix composites reinforced with MAX phases. Mater. Sci. Eng. A. 2010. Vol. 527. Iss. 16-17. P. 3707—3718. DOI: 10.1016/j.msea.2010.01.073.

65. Zhang Y., Sun Zh., Zhou Ya. Cu/Ti3SiC2 composite: a new electrofriction material. Mater. Res. Innov. 1998. Vol. 3. No. 2. P. 80—84. DOI: 10.1007/s100190050129.

66. Rohatgi P.K., Xiang Ch., Gupta N. Aqueous corrosion of metal matrix composites. Corrosion behavior of lead-free copper/graphite particle composites. In: Reference module in materials science and materials engineering. comprehensive composite materials II. 2018. Vol. 4. P. 287—312. DOI: 10.1016/B978-0-12-803581-8.09985-9.

67. Frage N., Froumin N., Dariel M.P. Wetting of TiC by non-reactive liquid metals. Acta Mater. 2002. Vol. 50. P. 237—245. DOI: 10.1016/S1359-6454(01)00349-4.

68. Aizenshtein M., Froumin N., Nafman O., Frage N. Wetting and spontaneous infiltration: the case study of TaC/(Au, Al and Cu) compared to TiC/Cu. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2016. Vol. 133. Art. 012020. DOI: 10.1088/1757-899X/133/1/012020.

69. Lu J.R., Zhou Y., Zheng Y., Li H.Y., Li S.B. Interface structure and wetting behaviour of Cu/Ti3SiC2 system. Adv. Appl. Ceram. 2015. Vol. 114. No. 1. P. 39—44. DOI: 10.1179/1743676114Y.0000000185.

70. Gupta S., Barsoum M.W. On the tribology of the MAX phases and their composites during dry sliding: A review. Wear. 2011. Vol. 271. P. 1878—1894. DOI: 10.1016/j.wear.2011.01.043.

71. Chen G., Peng H., Silberschmidt V.V., Chan Y.C., Liu Ch., Wu F. Performance of Sn—3.0Ag—0.5Cu composite solder with TiC reinforcement: Physical properties, solderability and microstructural evolution under isothermal ageing. J. Alloys Compd. 2016. Vol. 685. P. 680—689. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.05.245.

72. Fu W., Song X., Tian R., Lei Yu., Long W., Zhong S., Feng J. Wettability and joining of SiC by Sn—Ti: Microstructure and mechanical properties. J. Mater. Sci. Tech. 2020. Vol. 40. No. 1. P. 15—23. DOI: 10.1016/j.jmst.2019.08.040.

73. Dezellus O., Voytovych R., Li A.P.H., Li G., Constantin F.B., Viala J.C. Wettability of Ti3SiC2 by Ag—Cu and Ag—Cu—Ti melts. J. Mater. Sci. 2010. Vol. 45. P. 2080—2084. DOI: 10.1007/s10853-009-3941-6.

74. Боровинская И.П., Вишнякова Г.А., Маслов В.М., Мержанов А.Г. О возможности получения композиционных материалов в режиме горения. В сб.: Процессы горения в химической технологии и металлургии. Черноголовка: ОИХФ АН СССР,1975. С. 141—149.

75. Merzhanov A.G., Borovinskaya I.P., Pitjulin A.N., Ratnikov V.I., Epishin K.L., Kvanin V.L. Method for making a composite: Pat. No. 4988480А (USA). 1991.

76. Pityulin A.N., Bogatov Yu.V., Rogachev A.S. Gradient hard alloys. Int. J. Self-Prop. High-Temp. Synth. 1992. Vol. 1. No. 1. P. 111—118.

77. Yukhvid V.I. SHS-metallurgy: fundamental and applied research. Adv. Mater. Technol. 2016. No. 4. P. 23—34. DOI: 10.17277/amt.2016.04.pp.023-034.

78. Санин В.Н., Юхвид В.И. Инфильтрация расплава под действием центробежной силы в высокотемпературных слоевых системах. Неорганические материалы. 2005. Т. 41. No. 2. С. 1—9.

79. Dmitruk A., Naplocha K. Manufacturing of Al alloy matrix composite materials reinforced with MAX phases. Arch. Foundry Eng. 2018. Vol. 18. No. 2. P. 198—202. DOI: 10.24425/122528.

80. Amosov A.P., Fedotov A.F., Latukhin E.I., Novikov V.A. TiC—Al interpenetrating composites by SHS pressing. Int. J. Self-Prop. High-Temp. Synth. 2015. Vol. 24. No. 4. P. 187—191. DOI: 10.3103/S1061386215040032.

81. Федотов А.Ф., Амосов А.П., Латухин Е.И., Новиков В.А. Получение алюмокерамических каркасных композитов на основе МАХ-фазы Ti2AlC методом СВС-прессования. Известия вузов. Цветная металлургия. 2015. No. 6. С. 53—62. DOI: 10.17073/0021-3438-2015-6-53-62.

82. Амосов А.П., Латухин Е.И., Луц А.Р., Титова Ю.В., Майдан Д.А. СВС алюминокерамических композитов. В кн.: Технологическое горение. Под общ. ред. С.М. Алдошина, М.И. Алымова. М.: ИПХФ РАН, 2018. С. 287—315. DOI 10.31857/S9785907036383000012.

83. Amosov A.P., Latukhin E.I., Ryabov A.M., Umerov E.R., Novikov V.A. Application of SHS process for fabrication of copper-titanium silicon carbide composite (Cu—Ti3SiC2). J. of Physics: Conf. Ser. 2018. Vol. 1115. No. 4. Art. 042003. DOI :10.1088/1742-6596/1115/4/042003.

84. Амосов А.П., Латухин Е.И., Рябов А.М. О применении СВС для получения композита Ti3SiC2—Ni. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2018. No. 4. C. 49—62. DOI: 10.17073/1997-308X-2018-4-48-61.

85. Амосов А.П., Латухин Е.И., Умеров Э.Р. Способ получения керамико-металлических композиционных материалов: Пат. No. 2733524 (РФ). 2020.

86. Latukhin E.I., Umerov E.R., Amosov A.P., Amosov E.A., Novikov V.A. Physical and chemical fundamentals of combustion synthesis of skeleton ceramic metal composites TiC—Al. AIP Conf. Proc. 2020. Vol. 2304.Art. 020013. DOI: 10.1063/5.0033883.

87. Amosov A., Amosov E., Latukhin E., Kichaev P., Umerov E. Producing TiC—Al cermet by combustion synthesis of TiC porous skeleton with spontaneous infiltration by aluminum melt. In: Proc. 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE 2020). 2020. P. 1057—1062. DOI: 10.1109/EFRE47760.2020.9241903.

88. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. М.: Физматлит, 2012.

89. Saravanan R.A., Molina J.M., Narciso J., Garcia-Cordovilla C., Louis E. Surface tension of pure aluminum in argon/hydrogen and nitrogen/hydrogen atmospheres at high temperatures. J. Mater. Sci. Lett. 2002. Vol. 21. P. 309—311.

90. Davis J.R. Aluminum and aluminum alloys. ASM, 1993.